Тензометрическое устройство Советский патент 1992 года по МПК G01L1/22 

фиг 1

Изобретение ОТНОСИТСР к измерительной технике, в частности к тензометриче- ским устройствам, используемым, например, в прецизионных весах, динамометрах для оснащения медицинских клини- ко-диагностических учреждений

Известно тензометрическое устройство с аналого-цифровой схемой компенсации аддитивной погрешности, включающее тен- зометрический датчик, предварительный усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство, соединенные последовательно Между информационным выходом АЦП и вторым входом предвари- тельного усилителя-преобразователя включена схема компенсации, включающая реверсивный счетчик и преобразователь код-напряжение, а между выходом тензо- метрического датчика и первым входом предварительного усилителя-преобразователя включены два ключа К1 и К2

В такте установка нуля ключ К1 разомкнут, а ключ К2 замкнут При этом код, соответствующий напряжению дрейфа, запоминается в реверсивном счетчике и преобразуется преобразователем код-напряжение в аналоговую компенсирующую величину (корректирующее напряжение) которая подается на вход предварительного усилителя-преобразователя В такте измерения реверсивный счетчик сбрасывается в нуль и отключается от выхода АЦП Достоинством схемы является постоянство корректирующего напряжения на такте измерения, однако с ее помощью компенсируется аддитивная погрешность только измерительной части устройства но не обеспечивается компенсация аддитивной погрешности, вносимой собственно датчи- ком, з также погрешности действующие в контуре выхо дные цепитензометрического датчика - линии связи - входные цепи предварительного усилителя-преобразователя

Известно также тензометрическое ус- тройство с автоматической компенсацией аддитивной погрешности с помощью микропроцессорного средства выбранное за прототип Это устройство включает последовательно соединенные тензометри- ческий датчик предварительный усилитель-преобразователь (ПрУП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство Между выходом АЦП и входом предварительного усилителя-преобразователя включена схема автоматической компенсации аддитивной погрешности выполненная на базе микроЭВМ Это устройство обеспечивает компенсацию дрейфа нуля не только измерительной части, но и датчиков учитывая также погрешности, связанные с нестабильностью тарной нагрузки и т п

Достоинствами данного устройства являются возможность управления процессом измерения, индикацией и регистрацией результатов измерения, а также высокие метрологические характеристики.

Однако, при решении таких широко встречающихся задач, как прецизионное измерение в медицинской практике, например, массы, усилий, малых перемещений, при высоких требованиях к точности измерений необходимо обеспечить максимальную простоту измерительных устройств Использование для этих целей вычислительных и, в частности микропроцессорных средств приводит к структурно-алгоритмической избыточности и, в конечном итоге, к схемотехнической сложности устройств

Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точности измерений

Поставленная цель достигается тем что в заявляемом устройстве процесс формирования компенсационного воздействия осуществляется в автоколебательном режиме в периоды естественных пауз между производимыми дискретными измерениями по знаку сигнала рассогласования между заданным принудительным смещением нуля на отрицательную ветвь характеристики вход-выход и фактическим значением смещения нуля в момент формирования сигнала компенсации, причем управляющими сигналами на прекращение или продолжение формирования компенсирующего воздействия служат моменты нагружения тензометрического датчика и снятия нагрузки соответственно, а величина принудительного сдвига нуля выбирается с учетом возможного диапазона временного дрейфа нуля всех звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика Этим обеспечивается высокая точность формирования компенсирующего воздействия при использовании простых средств, исключающих необходимость в применении для решения данной задачи микропроцессорных устройств и включающих последовательно соединенные цифровой индикатор смещения нуля, выполненный в виде электрического вентиля, например полупроводникового диода подключенного к шине питания сегмента высвечивающего полярность (знак) измеряемого результата сег- ментно-цифрового индикатора отсчетного устройства, блок формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации в виде апериодического RC-звена первого порядка и сумматор, ко второму входу которого подключен выход блока предварительного принудительного смещения нуля, а третий вход и выход включены в измерительную цепь между тензометриче- ским датчиком и предварительным усилителем-преобразователем.

На фиг, 1 представлена структурная блок-схема устройства; на фиг. 2 - эпюры сигналов в схеме компенсации аддитивной погрешности.

Тензометрическое устройство (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные тензометрический датчик 1 (ТДС 1), предварительный усилитель-преобразователь 2, аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП 3) и цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментно-цифрового индикатора.

К шинам питания сигнальных сегментов цифрового индикатора 4 подключен вход схемы 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности, выход которой, также как и второй вход, включен в измерительную цепь устройства между тензометриче- ским датчиком 1 и предварительным усилителем-преобразователем 2.

Тензометрический датчик 1 (силы, массы, перемещений) служит для первичного преобразования измеряемой величины в электрический сигнал, пропорциональный ей В качестве ТДС 1 может быть использован тензорезистивный датчик любой известной конструкции

Предварительный усилитель-преобразователь 2 (ПрУП) служит для усиления выходного напряжения ТДС 1 либо для преобразования этого напряжения (например, из переменного в постоянное) с последующим усилением Он может быть выполнен по известной схеме в виде самостоятельного блока либо в составе АЦП 3.

Аналого-цифровой преобразователь 3 служит для преобразования непрерывной измеряемой величины в дискретную форму с последующим цифровым кодированием (код семисегментного индикатора) В качестве АЦП 3 может быть использован аналого-цифровой преобразователь любой известной конструкции содержащий в своем составе средства дли точного определения полярности сигнала на его входе, обеспечивая высокую разрешающую способность при определении знака (доли единицы младшего разряда) Выходу АЦП 3, несущему данную информацию, соответствует вывод напряжения питания сегмента минус на цифровом табло, к которому подключают вход схемы 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности

Цифровое отсчетное устройство 4 предназначено для индикации результата аналого-цифрового преобразования и выполнено в виде сегментно-цифрового индикатора,

например, типа АЛС 324 или ИЖЦ 14-4/7. Схема 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности служит для компенсации погрешностей, связанных с временным и технологическим (тарная нагрузка) смещением и дрейфом нуля, возникающим как в измерительной части устройства, так и в линиях связи и ТДС 1, с учетом компенсации тарной нагрузки, т.е. всего измерительного тракта, включая и главный источник погрешности - датчик.

Схема 5 содержит последовательно соединенные цифровой индикатор б смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой

компенсации, сумматор 8 и подключенный к его второму входу блок предварительного принудительного смещения нуля 9.

Цифровой индикатор б смещения нуля служит для выявления факта отклонения

нулевого уровня информационно-измерительного тракта, определения его знака (в естественных паузах между очередными измерениями) и выработки команды на формирование и коррекцию компенсирующего

воздействия в моменты, когда измеряемая величина отличается от нуля и расположена на отрицательной ветви характеристики вход-выход измерительного устройства (т.е. в Ш-м квадранте).

Полезной информацией, воспринимаемой цифровым индикатором б, является наличие свечения сегмента - цифрового индикатора 4 (либо свечение сегментов в последней цифре индикатора 4, нарушающих цифру О - для упоминаемого ниже варианта выполнения индикатора 6).

Цифровой индикатор б, соединенный своим входом с соответствующими шинами питания упомянутых выше сегментов индикатора 4, формирует на своем выходе электрический сигнал в виде либо напряжения постоянной величины, либо однополярных импульсов постоянной величины (в зависимости от используемого стандартного способа питания сегментов). Индикатор 6 автоматически выключается (разрыв цепи)в момент погашения сегмента минус (или сегментов, нарушающих нуль в последней цифре индикатора 4).

Цифровой индикатор б представляет собой электрический вентиль. Наиболее простое выполнение цифрового индикатора 6 в виде электрического вентиля - полупроводникового диода 10 представлено на фиг. 1. Один полюс диода 10, являющийся входом

схемы 5 компенсации, подключен к шине питания минус (сегмента полярности результата измерения) сегментно-цифрового индикатора 4, а второй полюс соединен с входом блока 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации. Цифровой индикатор 6 может быть выполнен и по другим известным схемам, например, в виде группы электрических вентилей (полупроводниковых диодов), одноименные входные полюса которых соединены с шинами питания соответствующих сегментов последней цифры сегментно- цифрового индикатора 4, а выходные полюса соединены с входом апериодического RC-звена 1-го порядка через схему совпадения. Такое выполнение цифрового индикатора 6 несколько сложнее первого варианта его исполнения, но является более общим и может Существенно расширить область примене нйя заявляемого решения

Блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации служит для выработки аналогового электрического сигнала-напряжения компенсации суммарной аддитивной погрешности всего информационно-измерительного тракта, оперативного запоминания, хранения и использования этого сигнала во время производства измерения, которое осуществляется дискретно, т.к предлагаемое устройство входит в обширную группу устройств с периодическими дискретными замерами, в которых время производства замеров чередуется с паузами Формирование компенсационного сигнала осуществ- /fneYcfl B периоды естественных пауз между замерами. Время измерения и время паузы (te -1 и t - te соответственно - см фиг. 2), как правило соизмеримы, и составляют от 5 до 20 с. Для функционирования блока 7 в таком устройстве необходимым условием является медленная потеря информации, т.е. запланированное медленное произвольное уменьшение величины сигнала компенсации с течением времени в период паузы между измерениями

В связи с этой задачей блок 7 выполнен в виде апериодического звена первого порядка, состоящего из зарядного резистора R и накопительного запоминающего конденсатора С. При этом величины элементов R и С выбраны таким образом, что скорость процесса заряда конденсатора С через зарядный резистор R и вентиль 10 цифрового индикатора 6 выше скорости разряда этого конденсатора С во входную измерительную цепь устройства Обеспечение необходимых соотношений постоянных времени заряда и разряда поясняется в описании устройства и на фиг. 2

Сумматор 8 предназначен для алгебраического суммирования напряжения компенсации аддитивной погрешности, напряжения принудительного смещения нуля и напряжения датчика и может быть выполнен по известной схеме, например по схеме пассивного параллельного резистив0 ного сумматора токов Для осуществления операции суммирования упомянутых выше напряжений возможно также использование свободных аналоговых входов ПрУП 2 или АЦП 3,

5 Блок 9 предварительного принудительного смещения нуля служит для формирования напряжения принудительного смещения нуля информационно-измерительного тракта на отрицательную ветвь ха0 рактеристики вход-выход т.е в И1-й квадрант при изображении характеристики в декартовых координатах Минимальная величина напряжения принудительного сдвига нуля выбирается с учетом возможно5 го диапазона временного дрейфа нуля всех звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика (начальный разбаланс моста, вариации тарной нагрузки), а также

0 дрейфа нуля предварительного усилителя- преобразователя 2 и АЦПЗ.

Блок 9 может быть выполнен, например, в виде обычного резистивного детмтеля, питаемого напряжением от общего источ5 нихз Е.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к источнику напряжения и при отсутствии измеряе0 мой нагрузки на выходе сумматора 8 имеет место сигнал равный алгебраической сумме напряжений начального смещения нуля датчика 1 и принудительного смещения Есм блока 9, который совместно с началь5 ными смещениями предварительного усилителя-преобразователя 2 и АЦП 3 образует результирующее смещение всего инфррмационно-измерительного тракта, которое высвечивается на цифровом таб0 ло 4.

Величина начального принудительного смещения выбрана таким образом что результирующее Смещение в исходном состоянии (момент to фиг. 2а) всегда имеет

5 отрицательную величину, что и индицируется сегментом минус на табло индикатора 4 При этом напряжение питания сегмента, имеющее, как правило, форму симметричного меандра (фиг 26), воспринимается цифровым индикатором 6 и включает его на

время рабочего полупериода. В течение полупериода ток от напряжения питания сегмента минус через зарядный резистор R заряжает накопительно-запоминающий конденсатор С блока 7 формирования и оперативной памяти напряжения автокомпенсации. Постоянная времени т3 RC заряда конденсатора выбрана таким образом, чтобы приращение напряжения компенсации на конденсаторе С за время действия рабочих (зарядных) полупериодов напряжения питания сегмента -, равного времени цикла обновления информации АЦП, не превышало величины, соответствующей примерно половине единицы младшего разряда индикатора 4. Это необходимо для предотвращения эффекта перекомпенсации, т.е. для обеспечения мягкого входа в зону стабилизации, равную, примерно, i 0,5 ед.мл. разряда (фиг. 2а).

Показания сегментно-цифрового индикатора А при этом постепенно уменьшаются по абсолютной величине по мере нарастания компенсирующего напряжения и, наконец, наступает момент ti, когда индикатор 4 показывает нули, а сегмент минус гаснет. В этот момент вход схемы 5 компенсации автоматически отключается в связи с исчезновением напряжения питания сегмента -.

Таким образом, начиная с момента ti, устройство готово к операции измерения. Если измерений не последовало, конденсатор С начинает разряжаться в резистивную цепь сумматора 8. Постоянная тр разряда, равная С RЈ, где RЈ - входное сопротивление сумматора, такова, что скорость разряда (потери компенсационного напряжения) несколько превышает наибольшую скорость дрейфа нуля информационно-измерительного тракта. Поскольку описываемое устройство относится к классу устройств с медленным дрейфом нулевого уровня, постоянная времени разряда гр велика и может составлять единицы минут и более. При снижении компенсирующего напряжения Vk(см. фиг, 2а)доуровня 0,5 ед.мл.р. (моменты t2.14) вновь зажигается сегмент - (при этом на табло индикатора 4 продолжают высвечиваться нули), напряжение питания сегмента - вновь включает схему компенсации 5 через цифровой индикатор б, конденсатор С блока 7. заряжаясь током от напряжения питания сегмента -, вновь входит в упомянутую выше зону стабилизации, после чего исчезает свечение сегмента - в связи с прекращением его питания м устройство снова готово к проведению измерения (моменты ts, ts, фиг 2а).

В связи с тем, что скорость изменения компенсирующего воздействия по принятому ранее условию выше скорости временного дрейфа нулевого уровня, обеспечивается

динамическое (колебательное) поддержав ние с высокой точностью ( ± 0,5 ед.мл. разряда АЦП) нулевого уровня всего информационно-измерительного тракта, включая и тензодатчик, являющийся, как

правило, основным источником суммарной аддитивной погрешности.

В момент т.6 (фиг, 2а) начала измерения измеряемая нагрузка, прикладываемая к си- ловоспринимающему элементу тензодатчика 1, создает на его выходе (как правило, в сигнальной диагонали моста) пропорциональное измеряемому усилию напряжение, которое, в свою очередь, через сумматор 8, предварительный усилитель-преобразователь 2 и АЦП 3 в кодированном виде подается на сегментный цифровой индикатор 4, высвечивая на нем величину измеряемого,, параметра в цифровой форме в течение времени te t. После снятия нагрузки наступает естественная пауза (t7-ts) до следующего измерения (ts - tg). Во время паузы, вплоть до следующего измерения, устройство автоматически переходит в режим автоповерки и автокомпенсации суммарного сдвига нуля

и его временного изменения, происшедшего за время te -1, по алгоритму, описанному выше.

Следует особо отметить, что предлагаемое техническое решение обеспечивает

автоматический переход с режима автокалибровки нуля в режим измерения и обратно без привлечения каких-либо дополнительных структурно-алгоритмических приемов и схемо-технических средств.

Схема автокомпенсации получается предельно простой (полупроводниковый вентиль, группа резисторов и конденсатор), обеспечивая при этом прецизионную точность по компенсации аддитивной погрешности.

Таким образом, в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение в сравнении с прототипом конструктивной схемы при

высоких точностных характеристиках устройства в целом. При этом в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, нет необходимости искусственно прерывать процесс измерения (посредством мультиплексора и ключей - в прототипе) для обеспечения процесса формирования сигнала компенсирующего воздействия, поскольку сигнал компенрации аддитивной составляющей погрешности формируется автоматически в естественных паузах между измерениями, как это показано ня фиг 2

Дополнительно следует отметить, что предлагаемое решение может быть легко адаптированно к широкому классу измрри- тельных устройств с цифровой индикацией и периодическим (дискретным) характером процесса замеров Учитывая также, что предлагаемое техническое решение некритично к типу используемого датчика, появляется возможность существенного расширения областей его применения на практике.

По предлагаемому решению возможны варианты реализации схемы 5 (см, фиг. 1) Так, если в качестве информации об аддитивной погрешности использовать не знак полярности нулевого уровня, а факт отличия конфигурации цифры младшего разряда индикатора 4 от О, то, выполнив соответствующим образом цифровой индикатор б нэп0имер ъ виде схемы совпадения сигналов питания соответствующих сигнальных сегментов последний цифры,и не изменяя остальных элементов схемы 5, можно добиться аналогичного описанному выше эффекта автокомпенсйции.

На основании предложенного технического решения во ВНИИМП разработан прецизионный измеритель массы тела человека, в котором удалось снизить величину погрешности от начального технологического уровня смещения нуля и его дрейфа во времени в 3-5 раз Это позволило простыми средствами до&иться высокой результирующей точности прибора ± 0,05 - 0 1 % в диапазоне измерения массы 0-150 кг

Испытания экспериментальных образцов прибора подтвердили рысокие харэктепистики заявляемого изобретения. Использование изобретения планируется в комплексе средств для диспансеризации населения.

Формула изобретения

1.Тензометрическое устройство, содержащее последовательно соединенные тензометрический датчик, предварительный усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и цифровое отсчет- ное устройство, а также схему компенсации аддитивной погрешности, отличающеес я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности, цифровое отсчетное устройство выполнено в виде сегментно- цифрового индикатора, а схема компенсации аддитивной погрешности выполнена в

виде последовательно соединенных цифрового индикатора смещения нуля, подключенного к шинам питания сигнальных сегментов сегментно-цмфрового индикатора блока формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации. выполненного в виде апериодического RC- звена первого порядка, сумматора, а также блока предварительного принудительного смещения нуля, выход которого подключен

к второму входу сумматора, третий вход которого соединен с тензометрическим датчи- ком, а выход - с предварительным усилителем-преобразователем.

2.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что цифровой индикатор смещения

нуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шиной питания сегмента Минус сегментно-цифрового индикатора.

Использование: в прецизионныхвесах. динамометрах при медицинских клинико- диагностических исследованиях Сущность изобретения: устройство содержит тензометрический датчик 1, предварительный усилитель-преобразователь 2, аналого- цифровой преобразователь 3, цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегменто- цифрового индикатора схемы 5 компенса-- ции аддитивной погрешности в виде цифрового индикатора 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации, выполненного в виде апериодического RS-звена первого порядка, а также сумматора 8 и блока 9 предварительного принудительного смещения нуля. 1-2-3-4, 6-7-8-9, 1-8-2. Цифровой индикатор смещения нуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шиной питания сегмента минус сегме.нтно-цифрового индикатора 1 з п ф-лы, 2 ил.